山西省城市化与生态环境非协调性耦合关系判别及空间演化

吕宇豪，张仲伍

山西师范大学地理科学学院，山西 临汾041000

0 引言

城市化的发展是地区经济和社会发展的具体表现［1］，随着城市规模的不断扩大和城市化水平的逐步提高［2］，城市中人们的生活方式正发生着潜移默化的改变，城市化认识也得以深化.21 世纪以来，我国城市化进入到快速发展阶段［3］，截至2017 年底，我国城市化率达58.52 %［4］.与此同时，资源不合理利用、环境污染、生态破坏等问题愈演愈烈.生态环境问题的解决成为制约城市化发展的重要因素，在黄河流域高质量发展背景下，将生态环境保护与地区经济高质量发展有机结合起来［5，6］，协调城市化与生态环境的互动共赢成为地理研究与发展的重要问题.

城市化与生态环境耦合关系研究是现代人与自然和谐相处中的重要内容之一［7］.国外学者从不同角度对城市化与生态环境进行研究.例如，20 世纪提出的环境库兹涅兹曲线(EKC)，认为污染环境与经济发展之间是一种先增长后减的“倒U 型曲线”［8，9］;Odum H T 等揭示了城市与环境演变的作用机理［10］.我国学者黄金川等采用库兹涅兹曲线和对数曲线进行复合，以浙江省为例，对城市化与生态环境的交互耦合机制进行分析［11］.在研究分析方法:通过构建评价指标体系、权重系数(AHP、熵权法)、地理信息技术(GIS)、耦合协调度模型、预测模型等.例如:崔木花基于耦合协调模型，研究了中原城市群城市化与生态环境耦合协调关系［12］;蔡文静、夏咏等运用熵权法、耦合协调模型、GIS 工具和灰色预测模型对西北5 省区耦合协调发展进行分析［13］;宋学锋、刘耀彬建立了江苏省城市化与生态环境动力学模型，并进行情景模拟预测［14］.在城市化与生态环境的研究尺度上，大尺度:中国30 个地区［15］、中国省级［16］、西北5 省区［17］、长江中游城市群［18］等，中小尺度:宁夏5 个地级市［19］江苏省［20］重庆市38 个区县［21］西安市［22］等.

以上基本涉及的主要是城市化与生态环境耦合关系协调性的研究，对于非协调性耦合的研究相对较少.城市化与生态环境二者之间在相互作用发展、演化过程中所表现出非良性互动现象［23～25］，本文以山西省为例，在对山西省城市化与生态环境水平综合测评的基础上，构建起非协调性向协调性耦合发展之路，并分析山西省城市化与生态环境非协调耦合关系时空演化格局，以期为山西省城市化与生态环境协调发展提供参考.

1 研究基础、数据与方法来源

1.1 研究区概况

山西省，简称“晋”，辖区地理坐标为北纬(34°34' ～40°44')东经(110°14' ～114°33').地势呈东北斜向西南的平行四边形，是中国内陆省份，地处黄河中游东段，华北平原西面黄土高原上.截至2019 年底，下辖11 个设区市，119 个县(市、区)，总人口3 729.22 万，地区生产总值14 873 亿元，第三产业占地区生产总值比重为53.5 %，城镇居民可支配收入同比增长6.5 %.战略性新兴产业增加值增长10 %，全省森林面积321.1 万公顷，森林覆盖率20.5 %.

1.2 指标选取

为了准确衡量城市化与生态环境之间的关系，在以往的相关研究成果［26，27］的基础上，结合山西省的实际情况，在科学性、典型性、可操作性等原则上构建了城市化水平综合评价指标体系和生态环境综合评价指标体系(表1)，其中城市化水平评价指标体系从人口(P)、经济(E)和空间(S)三个维度构建，生态环境评价指标体系根据20 世纪提出的PSR 模型，从生态环境压力(Pressure)—状态(State)—响应(Response)构建［28］.

表1 城市化与生态环境评价指标体系及信息熵、冗余度与权重Tab.1 Evaluation index system，information entropy，redundancy and weight of urbanization and ecological environment

1.3 数据来源与研究方法

在判断研究山西省城市化与生态环境非协调耦合关系时，本文所采用的数据来源于1999 年～2017年《中国统计年鉴》和《山西省统计年鉴》，在数据使用之前对其原始指标进行数量极化无量纲化处理，方法采用极差的标准化:

正向指标:

负向指标:

1.3.1 熵值法确定权重

计算第j 项指标下第i 各样本指标值占该指标的比重(1);计算第j 项指标的熵值(2);计算信息熵冗余度(3);利用信息熵计算第j 个各项指标的权重(4).

其中:pij为样本指标所占比重，zij为标准化值

其中xij为标准化后的数据.令s1为城市化综合分值，为生态环境综合分值.

1.3.3 非协调耦合度

耦合是两个事物之间存在一种相互作用、相互影响的表征，耦合度是表征系统之间相互影响的程度.经过长期的过程成为交互耦合时空函数关系.

(1)利用物理学中的容量耦合系数模型计算出城市化与生态环境的耦合协调度.

通常耦合度C 取值位于0 ～1 之间，当C 越大时，两个系统之间的耦合度达到最大，反之亦然.

(2)计算协调耦合度.耦合度C 是城市化与生态环境耦合的时序状态，不能充分反映城市化与生态环境的整体功效和协同效应.因此，本文利用耦合协调度来判定城市化与生态环境协调耦合关系，计算模型如下:

式中D 为耦合协调系数;ND 为非协调耦合系数，T 为城市化与生态环境两大系统的综合评价指数;α、β 为待定系数，本文α、β 取1/2.

(3)协调耦合关系判定标准.本文将城市化与生态环境协调耦合度分为4 个阶段，①0 ≤D ＜0.4:低水平耦合阶段，②0.4 ≤D ＜0.5:拮抗时期，③0.5 ≤D ＜0.8:磨合阶段，④0.8 ≤D ＜1:高水平耦合阶段;非协调耦合ND 划分如下:①0 ≤ND ＜0.2:低水平非协调耦合，②0.2 ≤ND ＜0.5 拮抗非协调耦合，③0.5≤ND ＜0.8:磨合非协调耦合，④0.8 ≤ND ＜1:高水平非协调耦合.

2 山西省城市化与生态环境非协调性耦合时序演变特征

利用模型计算城市化与生态环境的熵权值和权重(表1)，利用模型计算城市化与生态环境的综合得分、综合评价指数、耦合协调及非耦合协调系数(表2).

表2 1999 年～2017 年山西省城市化与生态环境非协调性耦合评价值Tab.2 Coupling evaluation value of urbanization and ecological environment in Shanxi Province from 1999 to 2017

2.1 城市化综合水平

从表2 的得分中可以看出，在1999 年到2017 年，山西省城市化发展水平基本呈持续上升的增长曲线，由1999 年的0.115 增长到2017 年的0.919，增幅达669.13 %;表1 中权重可以看出，平均每千人口拥有卫生技术人员数、旅游总收入、城镇居民可支配收入、道路面积、第三产业占GDP 比重、城市人口密度、第三产业从业人员比重、机耕地面积权重系数较高，对提升山西省城市化水平影响作用较大，但城镇人口比重、第二产业占GDP 比重、城市燃气普及率的权重系数较低，对于提升城市化水平贡献较小.

通过以上分析可知，山西省城市化水平增长很快，原始指标中第三产业占GDP 比重由初始的43.3 %增长为2017 年的51.7 %，第三产业从业人员比重由1999 年的26.9 %增长为2017 年的44.9 %，第二产业占GDP 比重由1999 年47.1 %下降到2017 年的43.7 %，从这点可以看出第三产业成为城市就业岗位的主要来源之一，旅游业作为第三产业的新型产业对于带动城市化的进程具有积极的推动作用，第二产业经历产业结构转型升级后逐渐降低.

2.2 生态环境综合水平

从表2 可知，在这段时段内，生态环境发展水平与城市化具有类似的阶段特征，2003 年、2006 年和2010 年有所起伏，但整体水平得到了较大的增长，从1999 年生态环境综合指数为0.207 到2017 年为0.716，增长幅度为2.5 倍，尤其是2012 年到2017 年出现持续性增长.说明生态环境综合水平向高水平前进，表1 中的指标权重表明废气排放量、建成区面积、城市绿地面积、生活垃圾清运量及清扫保洁面积是其主要的指标，但废水排放总量、煤炭消费量及造林总面积的权重较低，说明近年来山西省重视城市内在生态环境的建设与治理，在环境治理与投入提供了一定的保障，但在发展工业的过程中破坏了城市生态环境.因此，随着经济社会水平的进一步提高，生态环境的保护加强，向绿色低耗能产业转型，实现综合发展.

2.3 城市化与生态环境非耦合协调度

依据图1 可知，山西省城市化与生态环境非协调耦由1999 年的0.723 下降到2017 年的0.363，下降幅度达49.79 %，二者阶段性特征十分明显.根据曲线的下降幅度可以将城市化与生态环境非协调耦合关系划分为三个阶段:

首先，1999 年～2005 年期间，山西省城市化与生态环境耦合系数C 介于0.2 ～0.4 之间，处于低水平耦合阶段.其非协调耦合度由1999 年的0.723 下降到2006 年的0.620，年均降幅为1.78 %，属于磨合非协调耦合阶段.说明城市化的发展远超于生态环境压力，山西省在此期间注重对重工业的发展，工业化进程发展较快，导致山西省城市化与生态环境不协调的情况，生态环境污染较为严重，对生态环境的重视程度不够.

图1 山西省城市化与生态环境非协调耦合曲线Fig.1 Uncoordinated coupling curve of urbanization and ecological environment in Shanxi province

其次，2006 年～2011 年期间，山西省城市化与生态环境耦合系数C 介于0.4 ～0.5 之间，步入拮抗时期.其非协调耦合度由2006 年的0.595 下降到2011 年的0.501，年均降幅为2.63 %，仍处于磨合非协调耦合阶段. 此阶段仍然是城市化水平高于生态环境综合水平，注重城市化发展、资源的开采的同时加强环境的保护，开发与保护并重.二者都呈现快速提高的阶段，两者的系统协调耦合度关系明显向好.

最后，2012 年～2017 年协调耦合系数C 介于0.508 ～0.637 之间，进入磨合阶段，山西省城市化与生态环境为拮抗非协调耦合阶段.从图1 可以看出，2011 年二者出现交叉，耦合曲线上升，非耦合曲线下降，说明山西省城市化与生态环境开始向协调方向转变.长期以来，在践行“绿水青山金山银山”理念推动下，加快城市化的同时又减少环境的破坏，从而促进城市化与生态环境之间的协调.

3 山西省城市化与生态环境非协调耦合空间类型研究

3.1 山西省地市城市化和生态环境水平空间分布格局

以山西省2005 年、2010 年和2017 年作为时间节点，从11 个地级市出发分析山西省城市化与生态环境非协调耦合状况.

3.1.1 山西省11 个地级市城市化水平空间分布状况

根据城市化测评结果显示:山西省地级市城市化水平整体呈上升趋势，但区域差异存在，从2005 年～2017 年城市化水平差异正在减小.山西省城市化水平呈东部高于西部地区，北部、中部和南部高于西部地区，中部地区高于周围其他地区的空间分布特征，整体区域城市化水平有缩小的趋势.2005 年地区差异明显，太原市处于较高等城市化水平，朔州市、忻州、吕梁和晋城处于低等城市化水平，其他市处于较低等城市化水平;2010 年地区差异显著增大，开始出现高等城市化水平和中等城市化水平，太原市已成为高等城市化水平，北部大同市、东部晋中市、长治市和南部运城市处于中等城市化水平;2017 年城市化水平进一步提高，区域差异差距减小，中等城市化水平及以上基本覆盖，城市化水平较高的地区以晋中地区太原市和晋中市及晋北大同市为主(图2).

图2 山西省城市化水平空间分布图Fig.2 Horizontal spatial distribution of urbanization in Shanxi province

由此可见，城市化水平与地区经济发展密切相关，晋中和晋北地区经济发展水平较高，地区资源丰富、科技创新发展能力强，产业发展水平相对较高.与此同时，基础设施建设、地区政策扶持、城市建设空间用地和服务业旅游历史文化水平的发展促进城市化综合水平的提高;对于经济发展水平相对落后的东部南部等地区产业升级与转型相对迟缓，工业化、服务业等产业结构单一，城市公共服务建设水平不高，导致城市化水平发展水平较低.但总体而言，随着经济水平的发展这种差距在逐渐减小.

3.1.2 山西省11 个地级市生态环境空间分布状况

根据生态环境测评结果显示，山西省11 个地级市生态环境发展水平空间分布与城市化发展水平具有一定相似程度:11 个地级市生态环境发展水平总体呈上升趋势，其间有出现生态环境变差的时期，生态环境发展水平区域差异总体缩小.生态环境水平总体呈中部高于周围地区，东部和北部地区高于西部地区的空间分布特征.2005 年生态环境除阳泉市以外，总体呈现中等城市化水平，太原市为较高等城市化水平;2010 年阳泉市转为中等生态环境水平，生态环境水平有所提高，太原市、大同市及东部长治市和晋城市保持中等生态环境水平，其他市出现生态环境水平下降的趋势;2017 年太原市生态环境进一步提高，成为高等生态环境水平，除吕梁市之外，其他地级市生态环境水平都有所提高(图3).

由此可以看出生态环境水平与地区经济发展水平密切相关，山西省经历了粗放式经济发展，经济的发展以牺牲环境为代价，导致生态环境水平出现下降的趋势，后经过经济结构的转型与发展、公共绿地设施建设等，转变为保护生态环境为主.太原市作为高等生态环境水平的城市，积极投身于城市绿色建设，生态环境水平显著提高，吕梁市产业发展相对滞后，以传统能源为主的经济结构，生态环境水平发展较低.另一方面，中北部区域和南部区域自然环境基础较好，导致该地区优于东部地区.

3.2 山西省11 个地级市非协调性耦合空间分布

根据非协调性耦合关系研究显示:山西省城市化城市化与生态环境非协调性耦合度整体呈现下降的趋势，两者的非协调耦合度由高水平非协调耦合向拮抗非协调耦合转变，城市化与生态环境的关系变好.2005 年山西省非协调耦合关系为高水平非协调耦合阶段和磨合非协调耦合阶段，呈中部太原市、北部大同市和东部长治市由于其他地区的空间格局.太原市城市化发展优于生态环境状况，大同市及东部地区生态环境状况优于城市化发展，城市化与生态环境不平衡;2010年山西省城市化与生态环境非协调耦合度分为高水平非协调耦合、磨合非协调耦合和拮抗非协调耦合阶段.太原市进入拮抗非协调耦合阶段，晋城市进入磨合非协调耦合阶段，其他市与2005 年保持不变.城市化与生态环境之间基本得到改善;2017 年城市化与生态环境分为磨合非协调耦合和拮抗非协调耦合阶段，除太原市为拮抗非协调耦合阶段，其他均已进入磨合非协调耦合阶段.城市化水平高于生态环境水平，城市化与生态环境间非良性互动关系改善，且城市化对环境的保护的空间格局具有促进作用(图4).

图3 山西省生态环境水平空间分布图Fig.3 Spatial distribution of ecological environment level in Shanxi province

3.3 山西省城市化与生态环境非协调耦合空间格局形成机制

山西省城市化与生态环境非协调耦合空间格局的形成，是由城市化与生态环境耦合关系的一系列因素构成的.生态环境为城市化水平的发展提供基础条件，城市化在发展过程中对环境产生破坏、依托及保护，二者共同构成城市化与生态环境之间相互影响机制.依据山西省城市化发展进程和生态环境协调耦合研究，山西省城市化与生态环境非协调耦合空间格局的影响因素有自然条件、资源禀赋、科技进步、基础设施建设、资源环境承载力、产业结构等不同因素共同构成.形成中部地区工业产业升级转型下城市化与生态环境非协调性耦合空间格局整体驱动机制框架.

4 结论与讨论

(1)山西省1999 年到2017 年城市化综合水平呈明显的上升趋势，增幅达669.13 %，生态环境水平表现为基本上升趋势，与城市化水平相比自身具有明显的阶段性特征，其1999 年～2002 年为上升趋势，2003 年～2012 年为上下浮动阶段，2013 年～2017 年为上升阶段.

(2)山西省1999 年到2017 年城市化与生态环境非协调耦合特征表现为持续下降曲线，下降幅度为49.79 %，在该阶段处于磨合非协调耦合阶段和拮抗非协调耦合阶段，二者阶段性关系明显.城市化的发展以牺牲生态环境为代价，2011 年二者出现交叉，城市化与生态环境开始向协调方向转变，但还有很长的一段路程来实现.

图4 山西省城市化和生态环境非协调耦合空间分布图Fig.4 Spatial distribution of the uncoordinated coupling between urbanization and ecological environment in Shanxi province

(3)山西省11 个地级市城市化与生态环境水平总体呈上升趋势，城市化水平呈晋中部、晋北地区优于其他地区的空间格局，且其面积区域不断扩大.生态环境水平出现浮动趋势，其后逐渐变好，地区生态环境水平整体呈上升趋势，吕梁市相对滞后，空间分布有由南北差异向中部与周围区域演变. 综合山西省1999 年～2017 年城市化与生态环境非协调耦合时空演化特征，自然条件、资源禀赋、科技进步、城乡规划、基础设施建设、资源环境承载力、产业结构等是影响空间分异的主要因素.对近数据变化中可以看出城市化与生态环境的变化发展从不匹配到逐渐匹配，从不协调到慢慢协调，由磨合非协调耦合变为拮抗非协调耦合阶段.但在城市化与生态环境的发展过程中呈现出波动变化，不利于山西省城市化的发展和生态环境的可持续.

本文提出以下建议:加速调整产业结构和转变能源开发利用模式.加快向高效、多元、绿色的可持续产业转型，加快产业升级促进机制，加快推进重要领域改革，增强城市产业发展动力.晋中晋北地区加强重要城市的辐射带动作用，带动周围地区产业结构优化;加强环境保护和能源技术革命，积极发展清洁能源，深化生态文明体制，建设美丽山西;践行城市生态环境保护，提高城市化水平.塑造以生态优先、绿色发展为导向，转变城市发展方式，在发展的过程中尊重自然顺应自然，建设高品质、美丽宜居的公园城市.